CN106415217A - 用于确定流体容器中流体表面的水平的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于确定流体容器（1）中流体表面（O）的水平（H）的设备及方法，其包括用于朝向流体表面（O）发送和接收第一声信号（12、14）的第一声换能器（10），和用于发送和接收第二声信号（22、24）的第二声换能器（20）；参照元件（30、40），其位于距第二声换能器（20）预定距离处，并且安装在流体室（5）中，第一偏转元件（50），其安装在流体室（5）中，用于使第二声信号（22、24）偏转第一预定角度（W1）成朝向流体表面（O），其中，基于第二声信号（22、24），确定流体（F）内的声速，并且基于第一声信号（12、14）、第二声信号（22、24）和流体（F）内的声速，确定基底部分（3）上方的所述水平（H）。

Description

用于确定流体容器中流体表面的水平的设备和方法

本发明涉及用于确定流体容器中流体表面的水平的设备和对应的方法。

声学测量设备尤其能够用于确定流体容器中流体表面的水平。声学测量设备的声换能器能够操作为声发生器和声接收器两者。出于确定流体容器中流体表面的水平的目的，借助于声换能器将声脉冲发射到待测量的流体中是可行的。流体至另外的介质的界面能够反射声脉冲。通过声脉冲的渡越时间，可以得出关于流体容器中流体表面的水平的结论。

本发明的根本目的在于研发一种用于确定流体容器中流体表面的水平的设备，其能够实现流体表面的水平的可靠确定，并且涉及用于操作该设备的对应方法。

该目的由独立权利要求的特征实现。本发明的有利发展在从属权利要求中表征。

根据第一方面，本发明的特征在于用于确定流体容器中流体表面的水平的设备。该设备包括用于沿流体表面的方向发送和接收第一声信号的第一声换能器，以及用于发送和接收第二声信号的第二声换能器。

而且，设备包括与第二声换能器相距预定距离的参照元件。参照元件布置在流体容器的流体空间中。

此外，该设备包括第一偏转元件，其布置在流体空间中，用于使第二声信号偏转第一预定角度成沿流体表面的方向的目的。

而且，该设备包括控制单元，其被实施为根据第二声信号确定在流体空间中的流体内的声速。此外，控制单元被实施为根据第一声信号、第二声信号和在所述流体内的声速确定在流体容器的基底部分上方流体表面的水平。

两个声换能器的这种布置能够在高填充水平和例如小于10％的低填充水平的情况下实现水平的精确确定。在此，例如，通过两个声换能器对水平的精确确定彼此独立地发生。

为此，第一声换能器直接沿流体表面的方向发射。确定流体内的声速使得信号的渡越时间能够精确确定。为了甚至在低填充水平的情况下也能够确定流体内的声速，已经发现在流体容器的基底部分上方的低水平处发送和接收第二声信号是有利的。因此，第二声换能器主要用于确定流体内的声速并且其次用于测量填充水平。

第一声信号的无障碍、直接的传播是有利的，尤其是在高填充水平的情况下，以保持低的信号功率的损失。因此，使得特别大的测量范围成为可能。此外，第二声信号偏转成沿流体表面的方向有助于实现流体表面的水平的第二、冗余测量，并且因此有助于可靠且精确的确定。

以示例的方式，第一偏转元件由金属、陶瓷或玻璃制成。因此，第一偏转元件相对于流体容器中的流体具有高的声阻抗。因此，使得声信号的可靠偏转成为可能。此外，这例如能够实现偏转元件作为独立式部件的稳健布置。

替代地，第一偏转元件被实施为例如中空主体。如果第一偏转元件填充有空气，则会有利地减少由热引起的第一偏转元件的膨胀。此外，这降低了例如设备的材料成本和重量。相对于流体容器中的流体，第一偏转元件因此而且具有低的声阻抗。有利地，这能够实现声信号的可靠偏转。

流体容器的基底部分具有例如突出部，第一偏转元件联接到该突出部。突出部突伸到流体空间中。这能够实现第一偏转元件的简单布置

在根据第一方面的一个实施例中，第二偏转元件布置在流体空间中与第一偏转元件相距预定距离处，用于使第二声信号偏转第二预定角度成沿第一偏转元件的方向的目的。

有利地，这使得两个声换能器能够以相同的对准方式布置，例如布置在流体容器的基底部分中，使得为了附连两个声换能器仅需要一个组装步骤。这有助于该设备有成本效益且高效的生产。此外，例如尤其在安装空间受限的情况中，将两个声换能器布置在流体容器的基底部分处是有利的。

以示例的方式，两个声换能器被实施为压电换能器。由于例如其小尺寸，使得两个声换能器的组装额外地更加困难。在流体容器的基底部分处布置两个声换能器有利地有助于以精确且高效的方式进行组装。

在这种背景下，流体容器的基底部分例如与流体容器的侧壁分开地实施，这额外地有助于两个声换能器的简单组装。

以示例的方式，第二偏转元件具有与第一偏转元件类似的实施例。

在根据第一方面的进一步实施例中，声引导管布置在流体空间中。声引导管被实施以引导通过第一偏转元件偏转的第二声信号沿声引导管的纵向轴线在流体表面的方向上。

声引导管能够实现基本上独立于流体表面的动态的流体表面的水平的可靠确定。以示例的方式，由于流体容器的运动或由于流体容器的倾斜位置，流体表面具有尤其明显的动态，这在没有声引导的情况下，将导致声信号的散射或以其他方式遭受误差影响的流体表面的水平的确定。

在根据第一方面的进一步实施例中，声引导管的长度在30 mm和100 mm之间。尤其，声引导管的长度在50 mm和70 mm之间。尤其，声引导管的长度是60 mm。

声引导管的这种尺寸能够实现流体表面的水平的可靠且精确的确定。在此，声引导管的长度尤其小于流体表面的水平H。至少30 mm的声引导管的长度能够实现针对低水平的流体表面的声引导，在这种情况下对水平的精确确定尤其重要。此外，至多100 mm的声引导管的长度确保了声引导管的机械弹性。由于流体例如在低温下冻结，因此声引导管的机械弹性尤其重要。

在根据第一方面的进一步实施例中，声引导管的直径在5 mm和15 mm之间。尤其，声引导管的直径是10 mm。

声引导管的这种尺寸能够实现流体表面的水平的可靠且精确的确定。至少5 mm的声引导管的直径能够实现可靠的信号耦合，尤其是就组装公差的角度而言，并且因此保持低的信号衰减。此外，至多15 mm的声引导管的直径确保了声引导管的机械弹性。而且，这确保了通过声引导管的有效声引导。

在根据第一方面的进一步实施例中，声引导管的长度与声引导管的直径的比率在20:1和2:1之间。尤其，该比率在12:1和4:1之间。尤其，该比率是6:1。

声引导管的这种尺寸尤其有助于声引导管的机械弹性。

在根据第一方面的进一步实施例中，反射器布置在声引导管的内壁处。反射器与基底部分相距预定参照距离。

反射器能够实现流体表面的最小水平的确定。

根据第二方面，本发明的特征在于用于操作该设备的方法。根据第一声信号和第二声信号的信号质量确定流体容器的基底部分上方流体表面的水平。

通过两个声信号的信号质量加权（weighting）两个声信号有利地有助于流体表面的水平的精确确定。

在根据第二方面的一个实施例中，根据按时间相继记录的多个声信号的相应信号散射确定第一声信号和第二声信号的信号质量。

在根据第二方面的进一步实施例中，根据所记录的声信号的相应信号功率确定第一声信号和第二声信号的信号质量。

下面基于示意图解释本发明的示例性实施例。详细地：

图1示出用于确定流体容器中流体表面的水平的设备的第一示例性实施例，

图2示出用于操作该设备的流程图，

图3示出用于确定流体容器中流体表面的水平的设备的第二示例性实施例，

图4示出用于确定流体容器中流体表面的水平的设备的第三示例性实施例，

图5示出用于确定流体容器中流体表面的水平的设备的第四示例性实施例，以及

图6示出用于确定流体容器中流体表面的水平的设备的第五示例性实施例。

具有相同结构或功能的元件以贯穿附图的方式设有相同的附图标记。

图1示出流体容器1，其带有基底部分3和填充有流体F的流体空间5。以示例的方式，流体F是用于还原废气中的污染物的液体介质，其优选地具有还原剂和/或还原剂前体，例如尿素水溶液。

为了确定流体容器1中流体表面O的水平H，第一声换能器10和第二声换能器20布置在流体容器1的基底部分3处。在此，水平H被定义为流体表面O和基底部分3之间的距离，该距离在流体容器1的中立位置中测量，即，在不出现流体容器1的倾斜位置，并且流体表面O平行于基底部分3时测量。水平H也能够被称为流体容器1的填充水平。

以示例的方式，两个声换能器10、20被实施为压电换能器并且通过流体容器1的壳体壁联接。以示例的方式，壳体壁由塑料（诸如，例如所谓的高密度聚乙烯（HDPE））制成，使得基底部分3能够焊接至壳体壁中。替代地，两个声换能器10、20例如粘合地结合到壳体壁或机械地压抵壳体壁，也可能带有其它中间层以补偿不均匀度或粗糙度。

第一声换能器10包括沿流体表面O的方向发射第一声信号12的发射器。在此，第一声换能器10以下述方式对准，即使得所发射的第一声信号12的主要发射方向的指向垂直于基底部分3朝向流体表面O。

流体F上方的流体空间5填充有另外的介质（诸如，例如空气），并且因此所发射的第一声信号12在流体表面O和空气之间的过渡处发生反射，并且反射的第一声信号14入射在第一声换能器10上。反射的第一声信号14由第一声换能器10的接收器记录。以示例的方式，单个压电元件能够被用作发射器和接收器。在此，第一声换能器10的对准同样地导致第一反射的声信号14相对于流体容器1的基底部分3基本上垂直地传播。第一声信号12、14的传播被引导成使得防止在障碍物处功率下降，并且因此使得能够确定流体容器1的高填充水平。

出于精确地确定流体容器1中流体表面O的水平H的目的，需要获知第一声信号12、14的信号传播速度。出于该原因，借助于第二声换能器20进行参照测量。为了使该参照测量甚至在流体容器1中流体表面O的低水平H的情况下，即例如在填充水平小于最大填充水平的10％的情况下也能够进行，第二声信号22、24的声传播以基本上平行于基底部分3的方式在流体容器1的基底部分3附近发生。类似于第一声换能器10，第二声换能器20包括发射第二声信号22的发射器和记录反射的第二声信号24的接收器。

第一参照元件30和第二参照元件40布置在流体空间5中。两个参照元件30、40优选地由包括金属的材料制成。以示例的方式，两个参照元件30、40由金属件制成，并且通过支立的塑料栓柱与流体容器1的基底部分3联接。

两个参照元件30、40反射至少一部分所发射的第二声信号22。第一参照元件30与第二声换能器20相距预定第一距离。第二参照元件40与第二声换能器20相距预定第二距离，并且尤其，与第一参照元件30相距精确已知的距离。借助于控制单元（未进行任何更详细地描绘），在反射的第二声信号24之间的渡越时间差以根据两个参照元件30、40之间的已知距离的方式确定，并且根据渡越时间差确定在流体容器1中的流体F中的声速。以示例的方式，由第一参照元件30反射的参照声信号24d的第一渡越时间，和由第二参照元件40反射的参照声信号24e的第二渡越时间被确定以确定渡越时间差。

以根据流体F内的声速和第一声信号12、14的方式确定流体容器1的基底部分3上方的流体表面O的水平H的第一值H1。

在发射的第二声信号22的第一阶段22a中，其主要发射方向基本上垂直于流体容器1的基底部分3。

为了确定声速，以下述方式使发射的第二声信号22偏转，即使得它们在第二阶段22b中基本上平行于基底部分3被引导至两个参照元件30、40上。此外，反射成基本上平行于基底部分3的第二声信号24在第二阶段24b中以下述方式偏转，即使得它们在第三阶段24c中（未进行任何更详细地描绘）被引导成基本上垂直于第二声换能器20。

为了确保流体表面O的水平H的可靠且精确的确定，在确定声速之外，也同样地使用第二声信号22、24来确定流体表面O的水平H，并且因此以根据第二声信号22、24的方式确定流体表面的水平H的第二值H2。

为此，以下述方式使发射的第二声信号22再次偏转，即使得它们在第三阶段22c中基本上垂直于基底部分3地被引导至流体表面O上。此外，使在第一阶段24a中反射成基本上垂直于基底部分3的声信号24以下述方式偏转，即使得这些在反射的声信号24的第二阶段24b中被对准成基本上平行于基底部分3。

第一偏转元件50布置在流体空间5中，以便使发射的第二声信号22的第二阶段22b偏转成沿流体表面O的方向，以及以便使反射的第二声信号24的第一阶段24a偏转。

此外，第二偏转元件60布置在流体空间5中，用于使发射的第二声信号22的第一阶段22a偏转成沿第一偏转元件50的方向，以及用于使第二反射的声信号24的第二阶段24b偏转成沿第二声换能器20的方向。

两个偏转元件50、60中的每一个均包含与流体容器1的基底部分3成45°角，使得声信号22、24中的每一个均偏转预定角度W1、W2，偏转+90°或-90°。

以示例的方式，两个偏转元件50、60中的每一个均由金属件制成，并且相对于流体F的声阻抗具有高的声阻抗，使得声信号22、24的大部分得以反射。替代地，偏转元件50、60被实施为例如腔，其例如填充有空气。相对于流体空间5中的流体F，其具有低的声阻抗，使得声信号22、24的大部分得以反射。

以示例的方式，流体容器1的基底部分3具有突出部，偏转元件50、60安置在该突出部上，或偏转元件50、60集成在该突出部中。

程序被储存在尤其控制设备的程序和数据储存介质中，基于图2中的流程图下面更详细地解释该程序。

程序以步骤S1开始，其中，例如变量被初始化。

在步骤S3中，确定针对流体表面O的水平H的第一值H1，并且确定针对流体表面O的水平H的第二值H2。

在步骤S5中，确定第一反射声信号14的第一信号散射SS1和第二反射声信号24的第二信号散射SS2。

在步骤S7中，确定第一反射声信号14的第一信号功率SL1和第二反射声信号24的第二信号功率SL2。

在步骤S9中，以根据第一反射声信号14的第一信号散射SS1和第一反射声信号14的第一信号功率SL1的方式确定第一反射声信号14的信号质量SQ1，并且以根据第二反射声信号24的第二信号散射SS1和第二反射声信号24的第二信号功率SL1的方式确定第二反射声信号24的信号质量SQ1。

在步骤S11中，以根据第一反射声信号14的第一信号质量SQ1的方式并且以根据第二反射声信号24的第二信号质量SQ2的方式确定流体容器1中流体表面O的水平H。以示例的方式，这通过相应的信号质量SQ1、SQ2加权反射信号14、24进行。

在第二示例性实施例（图3）中，以类似于来自图1的第一示例性实施例的方式确定流体容器1中流体F的流体表面O的水平H。在这种情况中，第二声换能器20布置在流体容器1的壳体壁的一侧处。第二声换能器20的对准包含与第一声换能器10成90°角度，使得从第二声换能器20发射的第二声信号22平行于基底部分3被引导至第一偏转元件50上，同时第一声信号12、14基本上垂直于基底部分3传播，像在第一示例性实施例中那样。这是有利的，因为，除了第一偏转元件50之外，不需要其它的偏转元件，并且因此第二声信号22、24经历弱的衰减。

图4示出第三示例性实施例，其包括根据第一示例性实施例的两个偏转元件50、60；然而，这些以使得两个声换能器10、20的声学路径交叉的方式被布置，如在第二示例性实施例中绘出的那样。这种布置导致设备的尤其紧凑的设计，其中，能够保持低的声信号12、14、22、24的相互影响。在图5和图6中的以下示例性实施例中的声测量换能器10、20的布置对应于图4中讨论的布置。

在第四示例性实施例（图5）中，以类似于来自图1的第一示例性实施例的方式确定流体容器1中的流体F的流体表面O的水平H。声引导管70布置在流体空间5中，以便能够尽可能精确地确定水平H，例如也在流体容器1的倾斜位置的情况下或在由流体容器1的运动引起的流体表面O的波动的情况下。

以示例的方式，声引导管70由与制成流体容器1相同的塑料制成，并且其例如塞在流体容器1上和/或用卡扣式钩锁定，以机械地联接至流体容器1。

声引导管70被实施以沿流体表面O的方向引导发射的第二声信号22的垂直于基底部分3对准的第三阶段22c，以及引导通过流体表面O反射的第二声信号24的垂直对准的第一阶段24a沿声引导管70的纵向轴线在第一偏转元件50的方向上。

尤其是在流体表面O的水平H小于声引导管70的长度（即，流体表面O的高度不超过声引导管70远离基底部分3的端部）的情况下，声引导管70有助于声引导管70内的流体表面O的动态和声引导管70外侧的流体表面O的动态明显分离。在这种情况下能非常可靠的确定水平H，甚至在非常动态的流体表面O的情况下也是如此。

在流体表面O的水平H大于声引导管70的长度（即，流体表面O的高度超过声引导管70远离基底部分3的端部）的情况下，例如，由于流体表面O的动态，两个声换能器10、20中的任一者都不接收声信号14、24。

然而，如果例如因为第二声换能器20接收反射的参照声信号24d、24e可以确定声速，则可以作出如下高度可能的假设：流体表面O的高度至少超过声引导管70远离基底部分3的端部，原因在于在低水平H的情况下水平H的确定非常可靠。这特别令人感兴趣，尤其是在流体F是还原剂的情况下，原因在于不允许在没有充足填充水平的还原剂（即例如，如果未达到预定水平H）的情况下操作车辆。因此，如果暂时不可能确定水平H，例如由于车辆严重倾斜的位置，则也使得操作车辆成为可能。

由于流体表面O的水平H的绝对测量长度是例如500 mm或更长，并且由于流体F在冬天温度（例如，-10°C以下）的情况下能够冻结，并且流体容器1例如暴露于强烈振动，因此对于声引导管70的机械弹性的要求特别地高。

在这种背景中，已发现声引导管70的长度与声引导管的直径的比率尤其在20:1和2:1之间是有利的。

由于流体表面O的水平H的精确确定是重要的，尤其是在流体表面O的低水平H的情况下，例如以便能够及时识别低填充水平，所以声引导管70的长度是例如60 mm。声引导管70的直径是例如10 mm以便确保声引导管70的机械弹性。

在第五示例性实施例（图6）中，以类似于来自图4的第三示例性实施例的方式确定流体容器1中的流体F的流体表面O的水平H。在这种情况下，声引导管70在其内壁80处具有反射器90。以示例的方式，反射器90由与制成偏转元件50、60或参照元件30、40的材料相同的材料制成，并且其优选地布置在声引导管70远离基底部分3的端部处，使得其与基底部分3相距预定参照距离。以示例的方式，反射器90固定地联接至内壁80。替代地，预定参照距离例如能变化地调节。

在流体表面O的水平H大于声引导管70的长度的情况下，即，流体表面O的高度超过声引导管70远离基底部分3的端部的情况下，至少第二声换能器20独立于流体表面O的动态接收由反射器90反射的声信号。这使得能够作出关于流体表面O的最小水平的可靠陈述。

Claims (10)

1.一种用于确定流体容器（1）中流体表面（O）的水平（H）的设备，其包括：

- 用于沿所述流体表面（O）的方向发送和接收第一声信号（12、14）的第一声换能器（10），和用于发送和接收第二声信号（22、24）的第二声换能器（20），

- 参照元件（30、40），所述参照元件与所述第二声换能器（20）相距预定距离，并且所述参照元件被布置在所述流体容器（1）的流体空间（5）中，

- 第一偏转元件（50），所述第一偏转元件被布置在所述流体空间（5）中，用于使所述第二声信号（22、24）偏转第一预定角度（W1）成在所述流体表面（O）的方向上的目的，以及

- 控制单元，所述控制单元被构造成根据所述第二声信号（22、24）确定在所述流体空间（5）中的流体（F）内的声速，并且根据所述第一声信号（12、14）、所述第二声信号（22、24）和在所述流体（F）内的所述声速确定在所述流体容器（1）的基底部分（3）上方所述流体表面（O）的所述水平（H）。

2.根据权利要求1所述的设备，其包括第二偏转元件（60），所述第二偏转元件被布置在所述流体空间（5）中与所述第一偏转元件（50）相距预定距离处，用于使所述第二声信号（22、24）偏转第二预定角度（W2）成在所述第一偏转元件（50）的方向上的目的。

3.根据前述权利要求中的一项所述的设备，其包括声引导管（70），所述声引导管被布置在所述流体空间（5）中，并且所述声引导管被实施以引导通过所述第一偏转元件（50）偏转的所述第二声信号（22、24）沿所述声引导管的纵向轴线在所述流体表面（O）的方向上。

4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述声引导管（70）的长度在30 mm和100 mm之间，尤其是60 mm。

5.根据权利要求3或4所述的设备，其中，所述声引导管（70）的直径在5 mm和15 mm之间，尤其是10 mm。

6.根据权利要求3至5中的一项所述的设备，其中，所述声引导管（70）的所述长度与所述声引导管（70）的所述直径的比率在20:1和2:1之间，尤其是6:1。

7.根据权利要求3至6中的一项所述的设备，其包括反射器（90），所述反射器被布置在所述声引导管（70）的内壁（80）处，并且所述反射器与所述基底部分（3）相距预定参照距离。

8.一种用于操作如前述权利要求中的一项所述的设备的方法，其中，根据所述第一声信号（12、14）和所述第二声信号（22、24）的信号质量确定所述流体容器（1）的所述基底部分（3）上方所述流体表面（O）的所述水平（H）。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，根据按时间相继记录的多个声信号（14、24）的相应信号散射确定所述第一声信号（12、14）和所述第二声信号（22、24）的所述信号质量。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，根据所述记录的声信号（14、24）的相应信号功率确定所述第一声信号（12、14）和所述第二声信号（22、24）的所述信号质量。